Теория бань

Хошев Юрий Михайлович

4.5. Аэродинамика бани

Выше мы рассматривали изотермическую баню, все элементы которой имеют одну и ту же температуру, кроме тела человека, которое нагреться выше 40 °C не может по чисто физиологическим причинам. Но в реальности печь, пол, стены и потолок бани имеют разные температуры, отличающиеся от температуры тела человека. При этом в бане всё неминуемо перемешивается и усредняется потоками воздуха. При всей запутанности картины можно выделить основные процессы, позволяющие понять суть происходящего.

Рассмотрим частный, но очень наглядный пример чёрной бани (дымной сауны), схема которой приведена на рис. 34. При протопке чёрной бани холодный воздух от открытой двери 2 по полу поступает в зону очага

1, нагревается и в виде смеси с дымовыми газами поднимается вверх, расстилаясь по потолку, и выходит наружу через верхнюю часть двери. Такая аэродинамическая траектория называется вентиляционной 3 приточновытяжной кривой и является разомкнутой (вернее замыкающейся вне помещения). Если временно

прикрыть дверь 2, то потоки воздуха отнюдь не исчезнут, поскольку причиной их возникновения является очаг, нагревающий воздух. Получившаяся при закрытых дверях траектория движения воздушных масс (в том числе и дымовых) называется циркуляционной (рециркуляционной) кривой и является замкнутой. Именно циркуляционные потоки приводят к задымлению помещения, а также к нагреву стен и полов нисходящими потоками горячего воздуха (дымовых газов). Так, при протопке очага с открытыми дверями нельзя ходить по помещению, размахивая руками, поскольку возникающие при этом перемешивания воздуха (циркуляционные потоки) тотчас нарушают ламинарно текущие вдоль потолка потоки дыма, и помещение полностью задымляется.

Рис. 34. Динамика воздушных потоков в чёрной (курной) бане (дымной сауне). 1 — открытый очаг из камней, желательно со сводом, 2 — прикрывающаяся дверь, 3 — вентиляционный поток при открытых дверях, 4 — циркуляционный поток, 5 — застойная зона.

В реальных условиях циркуляционные и вентиляционные потоки воздуха обычно существуют одновременно. Причём для понимания банных процессов главным является циркуляционный поток. Только зная его траекторию в каждом конкретном помещении, можно расположить приточные и вытяжные отверстия таким образом, чтобы полностью «разомкнуть» при необходимости циркуляционную кривую и тем самым организовать эффективную вентиляцию. Кроме того, в помещениях бань обычно имеется одна или несколько застойных зон (в том числе и под полками), движение воздуха в которых может быть создано лишь дополнительными факторами (передвижением людей, взмахами веников, вентиляторами и т. п.).

Рис. 35. Динамика воздушных потоков в модельной бане (сауне). 1 — металлическая печь с каменкой, 2 — циркуляционный поток воздуха, 3 — микроциркуляционный поток воздуха, стеснённый преградами (например, полками) и не способный достичь холодного пола, 4 — поток пара из каменки, подмешивающийся в циркуляционный поток, 5 — вентиляционное отверстие, 6 — вытяжной поток воздуха, 7 — приточный поток воздуха, 8 — металлические листовые экраны от инфракрасного излучения (кожух печи), составляющие калорифер.

Протопив чёрную баню, погасив очаг и закрыв дверь, мы уже не видим циркуляционных клубов дыма, поскольку их попросту нет. Но циркуляционные потоки воздуха не исчезают, поскольку раскалённые камни нагревают воздух так же, как пламя очага. Если плеснуть воду на камни, то горячий увлажнённый воздух будет двигаться по циркуляционной траектории (точно так же, как задымлённый при временном прикрытии дверей топящейся бани). В отличие от задымлённого воздуха горячий увлажнённый воздух, достигая холодного пола, может не только охлаждаться, но и осушаться за счёт выделения конденсата (росы или тумана). Если охлаждение воздуха на полу тотчас компенсируется последующим нагревом над камнями, то осушение воздуха ничем не компенсируется (если только не поддавать на камни постоянно). Поэтому как ни увлажняй однократными поддачами движущийся в чёрной бане воздух, всё равно он неминуемо осушится через два-три циркуляционных оборота. Это свидетельствует о том, что чёрная баня с мощным тепловыделением и холодным полом способна давать мощные волны горячего пара, распространяющиеся на весь объем бани, но в то же время быстро исчезающие. Без поддач такая баня является сухой.

Вышеприведённые соображения лежат в основе теории чёрных бань и курных изб (Ю.М. Хошев. БАНБАС, 6/24, 2002 г., стр. 58), но могут быть распространены на бани современных типов. В качестве исходной модели выберем схему современной сухой высокотемпературной сауны с холодным полом (рис. 35). Сауна содержит вместо очага металлическую печь 1 (на твёрдом, жидком или газообразном топливе или электрическую) с металлическими экранами 8 (кожухом), образующими калориферный нагреватель воздуха, и каменкой для поддач 4. Раскалённые (может быть, и докрасна) стенки печи создают в калориферном зазоре вертикальный поток воздуха 2, распространяющий тепло от печи (и пар от каменки) по всему объёму бани. Предположим условно, что общий объём сауны равен 10 м³, причём 7,5 м³ из них заняты циркулирующим воздухом, а 2,5 м³ — застойными зонами, печью и другими неподвижными предметами. Примем условно, что мощность нагрева воздуха равна 20 кВт, имея в виду при этом, что в металлических печах мощность теплоотдачи в воздух близка (сравнима) с мощностью, выделяющейся в топке печи от

горения дров или нагрева тепловыделяющих электрических элементов (ТЭНов). Печь забирает холодный воздух с пола с температурой 20 °C, нагревает до температуры 100 °C и направляет к потолку. Исходя из теплоёмкости воздуха, скорость циркуляционного потока составит 900 кг/час, а в бане находится всего 7,5 кг движущегося воздуха. Это означает, что весь воздух в сауне 120 раз в час проходит около печи, нагревается, увлажняется (при поддачах), затем по потолку и стенам (сверху вниз) достигает пола, охлаждается, осушается (выделяет конденсат в виде росы) и вновь поступает к печи для нагрева. Этот режим и называется сухой высокотемпературной сауной. Он стал возможным лишь в результате внедрения в банную практику металлических печей с мощной теплоотдачей. Характерной чертой этого режима является невозможность постоянного накопления влаги в воздухе, а также невозможность сохранения высокой влажности воздуха. Действительно, для получения в сауне объёмом 10 м³ воздуха с абсолютной влажностью 0,05 кг/м³ необходимо истратить 0,5 кг воды. Стандартный парогенератор (кипятильник) мощностью 1,3 кВт выдаёт столько пара за 20 минут.

Рис. 36. Диаграмма изменения состояния воздуха в выделенном объёме, перемещающемся вдоль циркуляционной кривой в бане. 1 — исходная точка состояния (условная метеоточка у потолка бани), 2 — охлаждение без конденсации паров воды из воздуха, 3 — теоретическая зависимость плотности насыщенного пара от температуры, 4 — охлаждение с конденсацией паров воды из воздуха, 5 — нагрев воздуха около печи, 6 — метеоточка конца цикла без увлажнения, 7 — увлажнение воздуха паром, поступающим из каменки при поддаче.

Но за это время увлажняющийся воздух успеет пройти около пола 40 раз, каждый раз осушаясь. Так что высокая влажность воздуха не может быть достигнута. Даже если 0,5 кг воды испарить «мгновенно» (то есть за несколько секунд в большой каменке с мощностью парообразования 300-1000кВт), то всё равно после кратковременного «парового толчка» через минуту вся вода окажется на полу.

На рисунке 36 представлена типичная диаграмма осушки воздуха в сауне. Увлажнённый воздух (например, с температурой 70 °C и абсолютной влажностью 0,08 кг/м³), соответствующий исходной точке 1, в процессе циркуляционного движения в бане охлаждается на полу сначала до 50 °C без конденсации (участок 2), а затем до температуры 30 °C с выделением росы (участок 4), нагревается около печи до исходной температуры 70 °C (участок 5). Замыкание цикла (переход от точки 6 к точке 1 на участке 7) требует увлажнения воздуха с 0,03 кг/м³ до 0,08 кг/м³, и если оно не происходит, воздух остаётся сухим.

Причиной указанного осушения воздуха является его крупномасштабная циркуляция при наличии в бане поверхностей более холодных, чем воздух, например, тела человека, пола, баков с холодной водой. При мелкомасштабной циркуляции (микротурбулентности), когда потоки воздуха не достигают холодных элементов, процесс осушки проявляется не столь отчётливо.

Снизим скорость циркуляции, для чего, прогрев каменку, гасим печь. При этом конструктивно получаем нечто похожее на протопленную «чёрную баню» с открытой каменкой, но размер каменки у металлической печи обычно значительно меньше, чем в чёрной бане — дымной сауне. Положим, что мощность каменки по нагреву воздуха составляет 2 кВт. Это означает, что скорость циркуляции сокращается со 120 раз до 12 раз в час (со 120 до 12 крат). То есть характерное время осушения увеличивается с полминуты до 5 минут. Это уже приличное время, и человек отчётливо чувствует длительное увлажнение воздуха. Такая баня считается влажной, поскольку при длительных увлажнениях воздуха всё более характерным становится потоотделение в форме потения. Поскольку линейные скорости перемещения воздушных масс при погасании печи сокращаются с (0,1–1) м/сек до (0,01-0,1) м/сек, открывается возможность «вручную» воздействовать на потоки воздуха с помощью веника. Имеются в виду известные традиционные банные операции «разгона пара» по стенам и «посадка пара» на пол, обеспечивающие при необходимости быструю осушку воздуха, чтобы сделать «пар лёгким».

Ещё сильней снизим скорость циркуляции воздуха в бане, для чего прикроем каменку теплоизолированной термостойкой крышкой. Предположим, что мощность теплоотдачи каменки снизится до 0,5 кВт. Кратность циркуляции снизится до 3 раз в час, а линейные скорости воздушных потоков — до (0,001-0,01) м/сек. Это уже практически неподвижный воздух. Вся баня будет представлять собой единую застойную зону, движение воздуха в которой полностью определяется движениями веника и перемещениями людей. Если в этих условиях увлажнить воздух, то высокая влажность будет сохраняться до 20 минут, а при полной изоляции каменки ещё дольше. Это значит, что воздух можно увлажнять не только мощной поддачей на камни, но даже и медленным накапливанием пара в воздухе за счёт испарений влаги с тела человека или воды с тёплого пола. Такая баня считается предельно влажной (и даже паровой) и не способной к быстрому изменению метеопараметров. Характерным примером такой бани с практически неподвижным воздухом является хаммам.